Essais VLF sur les moteurs et les générateurs

Par Hein Putter

L'arrêt inattendu d'une machine tournante à haute tension est, dans presque tous les cas, extrêmement perturbant et très coûteux. Des recherches ont montré que la raison la plus fréquente de ces arrêts est un défaut d'isolation de l'enroulement du stator - ces défauts représentent 60 % des pannes dans les grands moteurs synchronisés à haute tension. Des résultats similaires ont également été trouvés dans les générateurs hydroélectriques. Il est donc important que l'isolation de l'enroulement du stator soit testée de manière exhaustive à la fois en usine, avant l'expédition d'une machine, et dans le cadre des essais d'acceptation, après l'installation de la machine sur le site.

Essais à haut débit

La forme d'essai la plus répandue est l'essai à haut potentiel - ou plus officieusement "hi-pot" - qui est utilisé en usine et sur site (généralement comme essai d'acceptation sur le terrain, mais dont l'utilisation a également été saluée par la suite) pour vérifier l'isolation de la paroi de terre de l'enroulement du stator. Le test hi-pot est un test de résistance ou de surtension qui consiste essentiellement à appliquer à la machine une tension supérieure à sa tension de fonctionnement nominale, tout en recherchant les signes d'une rupture de l'isolation. Le test détecte les points faibles locaux de l'isolation, donnant ainsi un aperçu de son état avant que la détérioration n'atteigne un point tel qu'un test de tension de ligne aboutisse à une évaluation de "défaillance" à laquelle vous n'êtes pas prêt à remédier immédiatement ou, pire, à une défaillance en cours de service. Les tests Hi-pot provoquent la défaillance des points faibles de l'isolation et sont donc effectués lors d'un arrêt programmé, dans des conditions de test contrôlées, avec des mesures d'urgence en cas de défaillance de la machine. Toutefois, s'ils sont effectués correctement, les essais à chaud ne créent pas de nouveaux points faibles. Il est important de noter que les tests hi-pot sont des tests "go/no-go" ; si des informations de diagnostic détaillées sont nécessaires, ils doivent être combinés avec, par exemple, des tests de décharge partielle et de tan delta/facteur de puissance.

Les tests Hi-pot peuvent être réalisés avec trois types de tension d'essai : DC, AC à fréquence industrielle et AC à très basse fréquence (VLF). La fréquence utilisée pour les tests VLF est généralement de 0,1 Hz. L'émergence des essais VLF s'explique par le fait que l'équipement d'essai nécessaire est nettement plus petit et moins coûteux que celui requis pour les essais à fréquence industrielle, tandis que la distribution de tension qu'il crée dans les diélectriques composites peut encore ressembler de près à celle produite à fréquence industrielle.

Hi-pot et câbles

Depuis les années 1980, les tests VLF hi-pot ont largement supplanté les tests DC pour les câbles. Ce changement a été principalement motivé par l'expérience acquise avec les câbles MT qui, avant les années 1980, étaient généralement des câbles à isolant papier recouverts de plomb (PILC). Lorsque les câbles à isolation polymère (XLPE, EPR) ont été introduits, on a constaté de nombreuses défaillances après les essais en courant continu effectués sur des câbles vieillis. En fin de compte, on a découvert que des charges d'espace piégées localement au niveau des défauts d'isolation, tels que les arbres à eau, se développaient dans les câbles XLPE et EPR lorsqu'ils étaient soumis à une tension continue.

Plus précisément, les essais en courant continu, qui étaient parfois effectués avec des tensions d'essai jusqu'à huit fois supérieures à la tension nominale du câble, ont généré des charges d'espace résiduelles dans les circuits de câbles vieillis. Celles-ci se comportent comme des éléments de circuit RC avec des constantes de temps très longues, de plusieurs heures, voire de plusieurs jours. Même si le câble est correctement déchargé, ces charges d'espace se dissipent très lentement. Supposons que le câble soit remis en service avant que la dissipation ne soit terminée. Dans ce cas, l'interaction entre la charge d'espace et le champ électrique produit par la tension de fonctionnement normale du câble entraîne une contrainte de champ locale très élevée à l'emplacement de la charge d'espace, ce qui entraîne souvent une rupture de l'isolation. Il a également été constaté que les essais en courant continu sont incapables de détecter certains types de défauts, tels que les vides, les coupures et les défauts humides, quel que soit le type de câble, et que ces défauts persistent même si les essais en courant continu sont effectués à une tension plus élevée que les essais en ondes lumineuses à basse fréquence.

Hi-pot et moteurs

Le test des moteurs suit désormais la tendance du test des câbles, qui passe du DC à la VLF pour le test du point haut. Cependant, le test VLF des enroulements statoriques des moteurs n'est pas une idée nouvelle, puisqu'il a été proposé par Bhimani dans les années 1960. La norme IEEE433-1974 a été la première à faire référence au test VLF des machines tournantes, et elle a été mise à jour en 2009. Le prix a d'abord été un obstacle à l'adoption du test VLF pour les moteurs, mais les prix des ensembles de test VLF ont considérablement baissé au cours de la dernière décennie, de sorte que ce n'est plus un problème critique, d'autant plus que le VLF offre de nombreux avantages.

L'un de ces avantages, et non des moindres, est que la distribution de la tension dans l'isolation du stator à VLF correspond beaucoup mieux aux conditions de fonctionnement normales du moteur qu'elle ne le fait dans le cadre d'un essai à courant continu. Un autre avantage important est qu'en raison de la faible puissance réactive requise pour les essais aux VLF par rapport aux essais à la fréquence de fonctionnement, les sources VLF sont plus petites, plus légères et donc plus mobiles. Ceci est particulièrement utile dans les applications où le poids et la taille de l'équipement d'essai risquent de rendre les essais peu pratiques, comme dans le cas des éoliennes. En outre, comme les ensembles de test VLF supportent généralement des charges plus élevées, il est souvent possible de tester les enroulements du stator, y compris le câble MT, directement à partir de l'appareillage de commutation MT. Cela n'est pas possible avec les essais en courant continu et ne l'est généralement pas avec les essais en fréquence industrielle.

Deux technologies normalisées sont aujourd'hui largement utilisées pour les essais VLF : VLF sinusoïdale et VLF cosinusoïdale-rectangulaire. Le test VLF sinusoïdal, comme son nom l'indique, utilise une forme d'onde sinusoïdale. En revanche, le test VLF cosinusoïdal-rectangulaire utilise une forme d'onde semblable à une onde carrée avec un temps de montée et de descente défini qui correspond étroitement au temps de montée et de descente d'une onde sinusoïdale à fréquence industrielle. Les principales caractéristiques de ces deux technologies sont résumées dans le tableau 1.

Tensions d'essai

Des recherches approfondies ont été menées pour déterminer la tension d'essai optimale pour les essais VLF à 0,1 Hz par rapport aux essais à fréquence industrielle. Pour les essais à fréquence industrielle sur les nouveaux enroulements de stator, la formule normalement utilisée est la suivante :

U test_60 Hz_RMS = 2 U o + 1000 1V

Cela signifie, par exemple, qu'un moteur de 6,9 kV sera testé à 14,8 kV RMS, et un moteur de 13,8 kV à 28,6 kV RMS. Pour les essais VLF, les données empiriques concernant les systèmes d'isolation en asphalte-mica montrent que ces tensions doivent être multipliées par un facteur de 1,63 pour obtenir la tension d'essai de crête, de sorte que la formule devient :

U test_VLF_Peak = (2 U o + 1000 V) x 1.63

En d'autres termes, à la VLF, le moteur de 6,9 kV est testé à 24,1 kV crête et le moteur de 13,8 kV à 46,6 kV crête.

Il convient de noter que les chiffres ci-dessus s'appliquent aux machines neuves. Pour les essais de maintenance, en général, une tension d'essai à fréquence industrielle comprise entre 125 % et 150 % de la tension nominale (RMS) aux bornes s'est avérée adéquate (IEEE Std 56), et le même multiplicateur de 1,63 est appliqué pour déterminer la tension d'essai VLF (crête) - voir les exemples dans le tableau 2.

Essais VLF sur les moteurs 

Les essais VLF sur les machines peuvent être effectués sans le rotor ou, à condition de prendre les précautions nécessaires, avec le rotor en place. Un dégagement électrique approprié pour les bornes est nécessaire. La norme IEEE 433 décrit les précautions supplémentaires à prendre selon que la machine est refroidie à l'air, à l'hydrogène, au liquide ou à l'huile. Dans la mesure du possible, les tests VLF (comme les tests de fréquence de puissance) sont effectués sur chaque phase séparément, les autres phases étant mises à la terre. Supposons qu'il ne soit pas possible de tester les phases individuellement et que toutes les phases doivent être testées ensemble. Dans ce cas, le résultat du test ne concernera que l'isolation par rapport à la terre - l'isolation entre les phases ne sera pas testée. La procédure recommandée pour les essais VLF consiste à sélectionner la tension d'essai correcte sur l'ensemble d'essai, puis à l'appliquer pendant un minimum de 10 cycles complets de la tension d'essai, ce qui, à 0,1 Hz, correspond à 100 secondes. Aucune panne ne doit se produire pendant l'essai. Après l'essai, toutes les phases et tous les enroulements de la machine doivent être mis à la terre pendant au moins 15 minutes. 

VLF pour les tests de diagnostic 

Comme nous l'avons déjà mentionné, un test hi-pot, qu'il soit effectué à l'aide d'une tension d'essai à fréquence industrielle DC, VLF ou AC, est un test succès/échec qui ne fournit aucune information diagnostique sur l'état de l'isolation du stator. C'est pourquoi des tests de diagnostic supplémentaires sont recommandés pour les machines tournantes, tout comme pour les câbles. Les tests de diagnostic typiques effectués sur les enroulements du stator sont les suivants :

• Essais de résistance d'isolation (IR)
• Essai de l'indice de polarisation (Pl)
• Mesure du facteur de puissance/perte diélectrique/facteur de dissipation/tan delta (TD)
• Mesure de la décharge partielle (PD)
• Il existe des normes IEEE (IEEE 286 et IEEE 1434) pour les mesures du facteur de dissipation (TD) et les mesures de DP à la fréquence de puissance.

La plupart des bancs d'essai VLF disponibles dans le commerce peuvent être utilisés pour les mesures TD et les diagnostics PD. Outre les tests TD par paliers, on peut également surveiller les pertes pendant les tests de résistance afin d'obtenir davantage d'informations sur l'état de l'enroulement du stator. Avec les tests DC, le paramètre équivalent pendant le test hi-pot est le courant de fuite, tandis qu'avec le VLF sinusoïdal, ce sont les pertes qui sont surveillées. Il n'existe pas encore de valeurs seuils pour les essais VLF 0,1 Hz TD, mais on sait que les valeurs de pertes sont plus élevées et que, comme pour les câbles, le vieillissement peut être reconnu plus facilement à basse fréquence qu'à la fréquence de puissance (voir figure 1).

La manière classique de représenter le facteur de dissipation des enroulements du stator est d'utiliser la valeur de basculement, qui est calculée en soustrayant la valeur TD mesurée à 20 % de la tension nominale de fonctionnement de la machine de la valeur TD mesurée à la pleine tension nominale de fonctionnement. C'est-à-dire :

Tip-up = TD @ Uo – TD @ 20 % of Uo

Lorsque les pertes sont affichées en fonction de la tension, il est possible de voir où la DP commence, car les pertes augmentent à ce stade. En fait, le test de basculement donne essentiellement une indication indirecte de la quantité de DP, mais pour les défauts où le taux de répétition de la DP est faible - avec des bobines lâches dans une fente, par exemple - l'influence est faible. Il est également important de noter que si les bobines sont recouvertes d'un revêtement de contrôle des contraintes en carbure de silicium, cela affectera la valeur de basculement. En outre, les pertes diélectriques et la valeur de basculement seront influencées par le type d'isolation utilisé. La tendance des valeurs dans le temps donne donc les meilleures informations sur l'état de l'enroulement du stator.

Conclusions récentes sur les mesures VLF TD

L'Electrical Power Research Institute (EPRI) a récemment fait état de résultats importants et intéressants concernant les mesures VLF TD sur les moteurs (G Toman, 2017). Les principaux résultats sont :

• Les mesures VLF TD peuvent être utilisées pour différencier les moteurs en bon état des moteurs dont les parois d'isolation sont détériorées.
• Trois techniques d'évaluation VLF - valeur absolue, valeur de pointe et % d'écart type - sont utiles pour évaluer les moteurs.
• Les circuits combinés moteur/câble peuvent être évalués à l'aide de mesures VLF TD.
• Les tests VLF effectués sur des moteurs équipés de câbles non blindés ont donné des résultats étonnamment bons.
• Les bons moteurs ont un faible TD absolu et un tip-up modéré ; les moteurs détériorés ont un TD absolu élevé et/ou un tip-up élevé.

Les valeurs VLF TD des bons moteurs testés par l'EPRI étaient comprises entre 5 % et 15 %. La diminution des valeurs TD avec l'augmentation de la tension a été signalée comme préoccupante, car elle peut indiquer que de l'humidité s'échappe d'un site de repérage. L'augmentation des valeurs TD est également problématique car elle indique un effet excessif de l'augmentation de la tension, suggérant qu'une certaine forme de rupture de l'isolation peut se produire à mesure que la tension augmente. L'augmentation des valeurs TD peut se produire lors de l'application d'une tension stable, auquel cas un arbre électrique est en train de se développer et une rupture risque de se produire rapidement. Plus l'arbre électrique est grand, plus le nombre de décharges est élevé et plus les pertes sont importantes.

Les conclusions générales du rapport de l'EPRI sont que le test VLF TD est effectivement une technique utile pour évaluer les moteurs et les circuits moteur/câble. Les trois méthodes d'évaluation 
Les trois méthodes d'évaluation (valeur absolue, valeur de pointe et % d'écart type) doivent être utilisées, et la tendance des résultats dans le temps améliore encore la valeur de la technique. Le rapport indique également que les critères d'acceptation des circuits combinés (moteur/câble) sont différents des critères d'acceptation des câbles lorsque l'on considère les valeurs absolues de tan delta et de basculement, mais que l'écart type en % peut être le même, ou presque, que pour les câbles. L'écart type en % sera légèrement plus élevé pour les moteurs seuls que pour les câbles seuls.

En résumé, le test VLF est une très bonne alternative pour les tests de puissance élevée et les mesures de perte diélectrique sur les enroulements de stator. Non seulement le poids et les dimensions de ces unités d'essai constituent un avantage considérable, mais la puissance de sortie, comparée aux ensembles d'essai à fréquence industrielle, est également beaucoup plus élevée. En outre, les mesures de perte diélectrique, qui sont intégrées à la plupart des bancs d'essai VLF, permettent d'évaluer facilement et correctement l'état d'une machine. En se basant sur les résultats des tests, il est possible de programmer des actions de maintenance correctives et de prévenir les pannes inattendues. 

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